Lasery, laserové technologie a stroje s laserem

Aktivním prostředím v pevnolátkovém laseru je pevná opticky propustná látka - krystaly, oxidy, granáty, alumináty, fluoridy, oxylsulfidy, fosfáty, silikáty, tungstáty, molybdáty, vanadáty, beryláty, sklo a keramika. Do této skupiny patří rubínový laser, neodymový laser, Nd:YAG laser, Nd:YLF laser, Er:YAG laser a Ho/CTH:YAG laser. Dnes nejvíce používaným typem pevnolátkového laseru je Nd:YAG laser (obr. 3). Laser pracuje jak v pulzním, tak kontinuálním režimu. Paprsek pevnolátkových laserů má vlnovou délku 1,06 ?m. Je vhodný pro vrtání, sváření, řezání a popisování. V lékařství se používá kontinuální Nd:YAG laser jako skalpel v chirurgii a pulzní Nd:YAG laser v oční mikrochirurgii. Dále se používá v radarové technice a ve spektroskopii.

Aktivním prostředím polovodičových laserů je polovodičový materiál, ve kterém jsou aktivními částicemi nerovnovážné elektrony a díry, tj. volné nosiče náboje, které mohou být injektovány. Hlavní předností polovodičových laserů je jejich kompaktnost, velká účinnost (až 50 %), možnost spektrálního přeladění v širokém spektrálním pásmu a pomocí výběru aktivního prostředí generace záření různých vlnových délek. Typickými představiteli polovodičových laserů jsou: polovodičový laser buzený svazkem elektronů a injekční polovodičový laser, kde je buzení prováděno elektrickým polem. Polovodičové lasery mohou mít výstupní výkon 30 W až 6 kW. U vysoce výkonných diodových laserů má vystupující paprsek tvar obdélníkové plochy. Laser o výstupním výkonu 150 W má po zaostření rozměr stopy 0,6 x 1,2 mm. Lze jej však zaostřit i na 1,3 x 1,3 mm nebo na stopu ve tvaru kruhu o průměru 1,5 mm. Polovodičové lasery (obr. 4) se používají především pro svařování, tepelné zpracování a nanášení povlaků.

Prudký rozvoj zaznamenávají diodami čerpané pevnolátkové lasery. Jsou to především Nd:YAG lasery, u nichž jsou pro čerpání energie z krystalu dosud používané výbojky nahrazeny laserovými diodami, příp. diodovými lasery. Výhodami těchto laserů jsou vyšší účinnost, menší spotřeba elektrické energie, menší celkové rozměry, delší trvanlivost diod oproti výbojkám (životnost diod je cca 10 000 hodin) a menší provozní náklady.Dalším vývojovým stadiem diodami čerpaných pevnolátkových laserů jsou kotoučové lasery (obr. 5).

U tohoto typu laserů je krystal, používaný dosud ve tvaru válce nebo desky, nahrazen kotoučem o tloušťce 0,3 mm a průměru 7 mm. Kotouč lze vyrobit z krystalu Yb:YAG, čímž se oproti krystalu z Nd:YAG zvýší účinnost čerpání ze 76 % na 91 %. Současné výkony kotoučových laserů jsou do 350 W. Kotoučové lasery mají možnost dobrého zaostření paprsku, pracují v kontinuálním i pulzním režimu s délkou pulzu v rozsahu femtosekund. Konstrukce laseru je kompaktní.V poslední době se začínají v technologii používat vláknové lasery s výstupním výkonem 2 až 30 W a vlnovou délkou záření 1,06 ?m. Používají se pro značení, popisování, vrtání mikrootvorů, mikrořezání a svařování.

Pro vrtání laserem platí, že čím je díra delší, tím více se odchyluje tvar díry od geometrie, což je způsobeno rozdělením energie paprsku. Předností laserového vrtání je vytváření malých otvorů o průměru 10 ?m až 100 ?m i v místech, kde je to pomocí jiných metod obtížné nebo nemožné. Díry mohou být kruhové i tvarové. Délka vrtané díry může být až 50 mm. Vrtat lze kovy, plasty, textilie, dřevo, sklo, papír, keramiku a jiné přírodní materiály. Tato technologie se používá pro vrtání kamenů do hodinek, filtrů, vstřikovacích trysek, lopatek proudových motorů apod. Pro vrtání se používají:

• CO₂ lasery - vyřezávání (kruhových i tvarových) otvorů, nejmenší průměr vyřezávaného otvoru je 5 mm, nejmenší průměr vrtané díry je 0,2 mm,
• Nd:YAG lasery - vrtání děr o menším průměru, nejmenší průměr vrtané díry je 0,025 mm,
• excimerové lasery - vrtání děr do keramiky.

V průmyslu se pro vrtání děr používají především Nd:YAG lasery o výstupním výkonu 100 až 500 W.

Gravírování se používá pro vytváření jednoduchých i velmi složitých reliéfů, především do kalených ocelí (např. do forem pro stříkání plastů a zápustek), keramických materiálů, dřeva, gumy apod. Podstatou metody je odpařování materiálu v místě, kde působí paprsek laseru. Gravírování může být v rovině, v několika různých hloubkách nebo lze vytvářet prostorové reliéfy. Pro gravírování do kovových a keramických materiálů se používají především Nd:YAG lasery, pro gravírování do dřeva a gumy jsou vhodné CO₂ lasery.

Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii byla vyvinuta metoda pro vytváření prostorových obrazců. Příklad plastického prostorového obrazce je na obr. 7. Kůň byl gravírován v oceli 19 436 do hloubky 0,5 mm. Model byl na počítači "rozřezán" na 50 vrstev, tloušťka jedné vrstvy odebírané paprskem laseru byla 0,01 mm. Při mikrofrézování hlubokých dutin je nutné řešit technologii vytváření kolmých stěn dutiny. Ve Výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii byly vyvinuty dvě metody, které umožňují vytvoření nejen kolmých stěn, ale také rybiny (stěn se záporným sklonem) (obr. 8).

Do gravírování je možné zahrnout rovněž vytváření různých druhů textur. Obr. 10 ukazuje texturu vytvořenou systematickým natavením povrchu. Na obr. 11 jsou textury vytvořené vhodnými geometrickými obrazci a na obr. 12 je ukázána možnost vytváření barevných povrchů.Texturování povrchů se používá například u tiskařských válců, k dekoraci předmětů nebo u ohybadel s cílem zvýšení jejich trvanlivosti. Rovněž touto technologií se zabývá výše uvedené výzkumné centrum.

V současné době je možné realizovat následující kombinace:

• soustruh - obrábění s předehřevem (obrábění keramiky a ostatních těžkoobrobitelných materiálů);
• soustruh - kalení, popisování, gravírování;
• soustruh - výroba úzkých drážek, kalení, popis, odstraňování otřepů;
• soustruh - nanášení materiálu metodou Rapid Prototyping (např. výroba osazeného pouzdra z polotovaru ve tvaru trubky);
• frézka - kalení, mikrofrézování, popisování;
• frézka - mikrofrézování, odstraňování otřepů, leštění, kalení;
• frézka - frézování úzkých drážek, vrtání děr malého průměru;
• frézka - popisování.

Je zřejmé, že podle přání zákazníka je možné sestavit různé kombinace obráběcího stroje a laseru. Ve výzkumném centru pro strojírenskou výrobní techniku a technologii bylo navrženo a ve spolupráci s podnikem Kovosvit MAS, a. s., realizováno obráběcí centrum MCVL 1000 Laser (obr. 14) s vestavěným laserem. Dalším navrženým strojem je nástrojařská frézka FNG 50 CNC Laser (obr. 15) realizovaná společně s INTOS, s. r. o., Žebrák.

Ing. Jaroslav Řasa, CSc.

Ing. Radka Jindrová

ČVUT v Praze, Fakulta strojní

Výzkumné centrum pro strojírenskou výrobní techniku a technologii

VCSVTT, ČVUT v Praze

//www.rcmt.cvut.cz/

J.Rasa@rcmt.cvut.cz

Chybějící tabulku naleznete v tištěné verzi časopisu.